Вычислители разработки ФГУП "ФНПЦ НИИИС им. Ю. Е. Седакова" Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 629.05; 681.3.02

ВЫЧИСЛИТЕЛИ РАЗРАБОТКИ ФГУП «ФНПЦ НИИИС ИМ. Ю.Е. СЕДАКОВА»

Н.В. Сильянов

Приводятся характеристики разработанных и разрабатываемых в НИИИС вычислителей. Перечисляется перспективная отечественная элементная база. Предлагаются различные варианты построения вычислителей. Описываются принцип самодиагностики и алгоритмы программного обеспечения.

Ключевые слова: вычислитель, бортовая ЭВМ, отечественная элементная база, самодиагностика, надежность.

Вычислители перспективных летательных аппаратов как объекты сфер ответственного применения должны удовлетворять высоким требованиям по надежности и должны сохранять работоспособность в жестких условиях эксплуатации (климатических, механических, при воздействии различного рода излучений).

При использовании в бортовых электронно-вычислительных машинах (БЭВМ) импортной элементной базы возникают риски, связанные как с низкой надежностью или стойкостью элементов, так и с быстрой сменой типов элементов, малым сроком гарантии, отсутствием гарантии поставки в течение длительного срока эксплуатации изделий, а также другими возможными ограничениями.

В настоящее время на отечественной элементной базе в НИИИС разработано несколько вариантов вычислителей. В качестве примера в табл. 1 приведены их некоторые характеристики. Вариант 1 является базовым, впоследствии на его основе были построены двухканальные варианты 2 и 3. Вариант 1 имеет одноканальную структуру. Для повышения сбоеустойчивости предусмотрен внешний по отношению к процессору сторожевой таймер, сброс которого осуществляется сигналом исправности от процессора по результатам периодического выполнения программы самодиагностики. Также применяется специализированное ОЗУ (СпецОЗУ) для хранения промежуточных результатов вычислений, которые могут быть использованы в случае перезапуска системы.

В [1] отмечается, что для обеспечения отказоустойчивости и радиационной стойкости может применяться принцип «холодного резервирования», заключающийся в том, что резервный канал находится в выключенном состоянии. Подразумевается, что при этом микросхемы менее подвержены неблагоприятным воздействиям.

Проведенные в [2] исследования также показывают возможность дублирования замещением (холодный резерв) в случае, если надежности или радиационной стойкости одноканальной БЭВМ недостаточно. Однако следует отметить, что применение дублирования не гарантирует увеличе-

156

ния радиационной стойкости в два раза. Степень увеличения стойкости, по-видимому, определяется комплексом факторов: стойкостью и прочностью элементной базы, характером воздействий, программой переключения резерва.

Таблица 1

Характеристики разработанных вычислителей_

Число каналов Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3

1 2 2

Процессор (архитектура, частота, МГц) MIPS-I (FPU) 33 MIPS-I (FPU) 24 MIPS-I (FPU) 24; MCS-196 10

ПЗУ, Мбайт 1 1 1,5

ОЗУ, Мбайт 1 1 1,5

СпецОЗУ, Кбайт 32 32 32

2 МКПД, 2 RS-232, 2 МКПД, 2 RS-232, 2 МКПД, 2 RS-232,

Интерфейсы 7 вх. РК, 6 вых. РК (300 мА), JTAG (BoundaryS-can) 8 вх. РК, 8 вых. РК (30 мА), JTAG (BoundaryS-can) 8 вх. РК, 8 вых. РК (30 мА), JTAG (BoundaryS-can)

Габариты, мм 175х164х62 170х150х62 170х150х80

Масса, кг 1,45 1,25 1,5

Вычислители вариантов 2 и 3 имеют двухканальную структуру, реализующую принцип дублирования замещением (холодный резерв) [3, 4]. В [5, 6] показана возможность построения трехканальных БЭВМ с резервированием замещением. В качестве примера на рис. 1 приведена структура вычислителя варианта 2. Все вычислители построены по модульному принципу. Указанный вариант содержит модули вычислительные (МВ), модули интерфейсные (МИ), модули питания (МП). Вариант 3 отличается от приведенного рисунка наличием модуля вычислительного вспомогательного с отключаемым питанием.

Отказоустойчивость двухканальных вычислителей обеспечивается самодиагностикой и холодным резервированием. Самодиагностика работающего канала осуществляется совместно с выполнением штатной программы по периодическим прерываниям от таймера. По результатам само-

157

диагностики процессор формирует сигнал исправности. Если устройство резервирования в течение заданного времени не получит сигнал исправности, оно будет считать этот канал отказавшим и с помощью сигналов управления модулями питания выполнит переключение на резервный канал.

Рис. 1. Структура надежного и радиационностойкого

вычислителя

Для восстановления из СпецОЗУ промежуточных результатов необходим анализ условий сброса (переключения), который проводится с учетом служебной информации, извлекаемой также из СпецОЗУ.

В разработанных БЭВМ применяются микросхемы 5890ВЕ1Т, 5890ВГ1Т, 1649РУ1У (НИИСИ РАН), 1874ВЕ05Т (НИИЭТ), 1620РЕ5У, 1658РУ1У, 1658РУ2Т (НИИИС), 5559ИН67Т, 5584хххАТ (Интеграл), 1657РУ1У (ЭЛВИС).

В настоящее время прорабатывается возможность создания вычислителей с использованием микросхем 1914ВМ016, 1914ВА016, 1658РУ2Т, 1658РУ1У, 5559ВВ014 (НИИИС), 5559ИН73Т, 5584хххАУ (Интеграл), 1892ВМ8Я, 1892КП1Я, 1892ХД5Т, 1657РУ1У (ЭЛВИС), 5576ХС7Т (КТЦ Электроника). Применяемая в вычислителях новая элементная база позволяет не просто повысить производительность, но и обеспечить многофункциональность в плане совместного выполнения управляющих и обрабаты-

вающих функций. В табл. 2 представлены ожидаемые характеристики разрабатываемых в настоящее время в НИИИС малогабаритного и высокопроизводительного вариантов вычислителей.

Таблица 2

Ожидаемые характеристики разрабатываемых БЭВМ

Число каналов Вариант 4 Вариант 5

1 1

Процессор (архитектура, частота, МГц) ARM-Cortex-M4F (FPU, DSP), 60 MIPS32 (FPU, DSP ElCore), 80

ПЗУ, Мбайт ОЗУ, Мбайт СпецОЗУ, Кбайт 1 2 8 1 10 64

Интерфейсы 2 МКПД, 2 SpaceWire 2 RS-232, 4 вх. РК, 4 вых. РК (300 мА), JTAG (OnCD, BoundaryScan) 2 МКПД, 4 SpaceWire 2 RS-232, 4 вх. РК, 4 вых. РК (300 мА), JTAG (OnCD)

Габариты, мм 138х138х62 138х138х110

Масса, кг 1 1,5

Малогабаритный вариант вычислителя разрабатывается на процессоре с ядром ARM-Cortex-M4F (СБИС 1914ВМ016 разработки НИИИС). Компания ARM заявляет, что ядра семейства Cortex-M наиболее предпочтительны в системах управления реального времени. Ядро имеет также сопроцессор цифровой обработки сигналов. Высокопроизводительный вариант вычислителя разрабатывается на микропроцессорах «Мультиборт», имеющих как ядра общего назначения, так и мощные ядра цифровой обработки сигналов ElCore.

Структура малогабаритного вычислителя на основе процессора с ядром ARM-Cortex-M4F показана на рис. 2. Структура высокопроизводительного вычислителя на основе комплекта «Мультиборт» представлена на рис. 3.

Каждый из вариантов вычислителя оснащен сменной платой ПЗУ с возможностью установки как Flash-памяти, так и однократно программируемого ПЗУ объемом не менее 1 Мбайт.

Модули вычислтелей не требуют напряжения питания 5 В. Однако в модуле питания предусмотрена возможность формирования такого напряжения, если это потребуется для наращиваемых модулей. Разрабатываемые вычислители строятся по одноканальной структуре. Дублирование

замещением возможно на уровне приборов, при этом доступ к СпецОЗУ предполагается осуществлять по интерфейсу SpaceWire по протоколу RMAP (Remote Memory Access Protocol).

В настоящее время разработана документация вычислителей, проведены расчеты надежности и механической прочности, завершено изготовление многослойных печатных плат. Габариты и установочные размеры плат аналогичны форм-фактору PCI-104.

мкпд

не

roÔT Р 52070* £

.МКПД

:ж

ГОСТ Р 52070

Адрес ОУ [0..4+П]

PK (вх-вых)

ППУ

12

ППУ Y

Д2

Сторожевой таймер

Модуль обработки и управления SwRes# SpaceWire

16

Data Program

RAM32K RAM 123К

Ядро ARM-Cortex-M4F

СНК

ППУ

ППУ

RS-232C RS-232C

JTAG

32

21 —Н

□[0.31]

А[2 .22^

дод

Р[Р-7],

AR.. И]

С[0-2^

A[g..22]

ОЗУ 2М

Спец ОЗУ 8К

D19-31I

С[0..2]

27 В

_L

зв

Модуль питания

5 В

ЗВ

¡5В

Модуль ППЗУ

OTPROM (FLASH, FRAM)

Рис. 2. Структура малогабаритного вычислителя

Масштабирование

À А

I I I 1

Модуль ком м рта тора-маршрутизатора

Коммутатор-маршрутизатор

=п

ППУ

RS 232С

OTPROM (FLASH, FRAM)

i 1

Резервирование

АдресОУ [0..4+П] .6

PK (вх-вых)

Модуль интерфейсный

Преобразователь интерфейсов

щ

ППУ

ШЕ НЕ

ППУ

3ÎE 3IE

МКПД ГОСТ Р 52670

МКПД

ГОСТ Р 52070

Модуль СпецОЗУ

Контроллер удаленного доступа

Спец ОЗУ

Спец ОЗУ

5 В 3 В Модуль питания

2,5 Е 27 В

V8B

Сторожевой таймер

Модуль

обработки и управления

Процессор

ППУ

32

■чн

15 —h*

JTAG

RS-232C

DÎÇ-31]

АЩ-20]

CJ0..2]

DÎ9-31]

A[Q-20]

qo.2]

Модуль ППЗУ

OTPROM (FLASH, FRAM)

Модуль ОЗУ

RAM

Рис. 3. Структура высокопроизводительного вычислителя

Также возможно расширение функциональности, интегрирование средств навигации и управления с помощью наращиваемых модулей.

В ближайшем будущем предполагается завершить изготовление вычислителей, выполнить разработку и отладку системного программного обеспечения, а также провести исследования работоспособности как малогабаритного вычислителя на процессоре с ядром ARM-Cortex-M4F, так и высокопроизводительного вычислителя на комплекте «Мультиборт».

Список литературы

1. Гобчанский О. Проблемы создания бортовых вычислительных комплексов малых космических аппаратов // Современные технологии автоматизации. 2001. № 4. С. 28-34.

2. Русанов В.Н., Королев С.А., Сильянов Н.В. Анализ структур и надежности бортовых вычислительных систем // Авиакосмическое приборостроение. 2015. № 7. С. 18-30.

3. Самодиагностируемая резервированная бортовая вычислительная система / В.Н. Русанов [и др.] // Авиакосмическое приборостроение. 2014. № 2. С. 16-28.

4. Резервированная двухпроцессорная вычислительная система: пат. 2460121 РФ № 2011135121. Опубл. 27.08.2012.

5. Резервированная многоканальная вычислительная система: пат. 2527191 РФ № 2013140512/08. Опубл. 07.07.2014.

6. Русанов В.Н., Сильянов Н.В., Киселев А.Ю. Самодиагностируемая трехканальная бортовая вычислительная система с резервированием замещением // Авиакосмическое приборостроение. 2015. № 3. С. 23-32.

Сильянов Николай Владимирович, ведущий инженер-исследователь НИО 3130, nSilyanovaniiis.nnov.ru, Россия, Нижний Новгород, ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова

ON-BOARD COMPUTERS,

DESIGNED BY «FSUE «FRPC NIIIS NAMED AFTER YU. YE. SEDAKOV»

N.V. Sil'yanov

Characteristics of high-reliable on-board computers (both already developed and new designs) are given. Perspective domestic integrated circuits are listed. Various on-board computer structures are illustrated. Self-diagnosis principle and software algorithms are described.

Key words: On-board computer, domestic integrated circuits, self-diagnosis, reliability.

Silyanov Nikolay Vladimirovich, Leading Research Engineer, NIO 3130, nSilyanovaniiis. nnov. ru, Russia, Nizhny Novgorod, FNPTS NIIIS them. Yu.E. Sedakov